Вплив конвективної складової

1.5. Вплив конвективної складової

При конструюванні вимірювального вузла приладу для визначення теплопровідності рідин його геометричні розміри, конструкція і температурної режим повинні виключити або зменшити ймовірність виникнення конвективного теплообміну. Умови, при яких виникає конвективний теплообмін, вивчені різними дослідниками для однофазних рідин. Зазвичай вплив конвекції враховується введенням відповідної поправки (коефіцієнта конвекції ε=λ_эф/λ). Для обґрунтованого введення такої поправки необхідно вивчення умов виникнення конвективного переносу тепла в конкретних умовах експерименту.

До перших робіт з вивчення конвекції слід віднести роботи Релея, який досліджував умови виникнення конвективного переносу тепла в шарі рідини між плоскими паралельними пластинами. Їм було встановлено теоретично, що поріг настання конвекції визначається критичною величиною критерію Релея Raкр. Висновком наступних робіт є залежність коефіцієнта конвекції від геометрії шару досліджуваного речовини і його розташування.

У подальших роботах було показано, що для вузьких циліндричних зазорів коефіцієнт конвекції визначається не тільки значеннями Ra, але і величиною вимірювального зазору.

Слід зазначити, що всі дослідження в цій області проводилися для однофазних рідин. У нанофлюідах (двофазних системах) процес виникнення конвективного теплообміну набагато складніше і практично не вивчений. Тому найбільш надійним способом виключити вплив конвекції на результати вимірювання теплопровідності є досліди на декількох значно відрізняються між собою перепадах температур в стаціонарних методах і різних теплових навантаженнях в нестаціонарних методах вимірювань.

2.Опис Експериментальної установки

2.1. Конструкція вимірювальної комірки

Для експериментального дослідження теплопровідності нанофлюідов була розроблена вимірювальна комірка (мал. 2.5).

Мал. 2.5 Конструкція вимірювального пристрою реалізує нестаціонарний метод нагрітої нитки.
1, 10 - струмові дроти; 2 - платинова нитка; 3, 7 - потенційні дроти; 4 пружина; 5 - вузол натягнення нитки; 6, 9, 11 - скляні капіляри; 8 – каркас

Вимірювальна комірка (Мал. 2.5) реалізує варіант нестаціонарного методу нагрітої нитки - метод лінійного джерела. Основним елементом вимірювальної комірки є термометр опору, виготовлений з платинового дроту 2 діаметром 50 мкм і довжиною 61 мм. Робоча ділянка нитки припаяний до струмопровідних проводах 1, 10 діаметром 0,1 мм, верхній з яких запаяний в центрир скляному капілярі 6. Нижній провід, що підводить струм через ізолюючий скляний капіляр 9, приєднаний до вольфрамової пружині 4, яка в свою чергу змонтована в вузлі натягу 5. Натяг пружини здійснювалося вантажем масою 2 г і фіксувалося стопорним гвинтом. Така конструкція дозволяє забезпечити постійне в часі і незалежне від параметрів стану натяг робочої нитки і створити умови для стабільної роботи нитки як термометра опору. Зазначені вище елементи вимірювального центру змонтовані всередині каркаса 8, виготовленого з латуні діаметром 12 мм.

Діаметр дроту визначали двома незалежними методами - виміром діаметра в двох взаємно перпендикулярних площинах через кожні 10 мм по довжині дроту і зважуванням 1 м дроту на аналітичних вагах. Для стабільності показань через напружені режимів роботи осередку платинова дріт попередньо двічі давав жару в муфельній печі при температурі 1100 К протягом 10 годин.

Нижній кінець платинової нитки кріпиться до вольфрамової пружині, що знаходиться в нижньому вузлі комірки. Пружина ізольована від корпусу в гвинті «натягу» за допомогою тонкостінних скляних капілярів. Натяг нитки здійснювалося за допомогою підвішеного вантажу масою 0,02 кг протягом 24 годин з подальшим зняттям вантажу і вивінчіваніем до упору гвинта, який фіксувався контргайкой.

Як струмових і потенційних висновків використовували платинову дріт діаметром 0,1 і 0,02 мм, відповідно. Потенційні висновки, що визначають робочу ділянку нитки, виготовлені з платинового дроту діаметром 0,02 мм. Подпайкі здійснювалася сріблом за допомогою спеціально виготовленої мікрогорелкі. У верхній частині осередку для токового підведення нитки використовується сама нитка. Така конструкція дозволяє значно зменшити торцеві ефекти і спрощує висновок струмових і потенційних проводів в місці їх виведення з робочої зони. Для зниження відтоків тепла по провідникам виведення їх здійснювався по ізотермічної поверхні. Для висновків використовуються свердління діаметром 2 мм, виконані в двох взаємно перпендикулярних площинах в нижньому і верхньому кінцях корпусу вимірювального вузла. Для запобігання вертикально-кільцевої конвекції осередок мала «закриті торці». Це здійснювалося підбором відповідних розмірів скляних капілярів. Висновок платинових струмових і потенційних проводів здійснювався через спеціальні пропили на торцях скляного капіляра.

Для виведення і ізоляції струмових і потенційних проводів поза робочим зазору використовуються скляні тонкостінні капіляри, укладені в спеціально профрезерований канавках по корпусу вимірювальної комірки і фторопластового ізолятора верхнього вузла. Кріплення скляних капілярів до корпусу здійснюється фторопластовой плівкою в проточках корпусу. Величина зазору між скляним капіляром і каркасом осередку становила 0,3 мм, між корпусом вимірювальної комірки і стінкою теплообмінника - 0,2 мм. Таким чином, для усунення можливих конвективних потоків все зазори в корпусі осередки і автоклава зведені до мінімуму.

Центрування вимірювального капіляра щодо нитки вироблялося через свердління в каркасі в двох взаємно перпендикулярних площинах під мікроскопом типу УИМ-21 за допомогою настановних штифтів. Положення «центру» визначалося візуально і за відносним мінімуму ємності системи нитка-капіляр. Висока чутливість вимірювача ємності дозволила виявити і регулювати ексцентриситет до величини 0,001 мм. Щоб уникнути «внутрішнього» ексцентриситету, викликаного можливим викривленням нитки в робочій зоні, вимірювальний ділянку нитки вибирався з умови мінімуму ємності при протягуванні нитки через капіляр. Жорсткі вимоги до центрівці пояснюються тим, що точність визначення теплопровідності істотно залежить від величини ексцентриситету при малих вимірювальних зазорах. Крім того, при дослідженнях теплопровідності нанофлюідов необхідна максимальна симетричність температурного поля.